基于TADF共摻雜的藍光OLED器件性能研究

王豪杰， 周遠明

(1 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北工業大學理學院， 湖北 武漢 430068)

因色純度高、耗能低、自發光等多種優點，有機電致發光二極管(OLED)被廣泛應用于顯示和照明領域。目前，主要采用熒光材料和磷光材料制備器件的發光層(EML)，但這兩種材料分別存在效率低、價格貴的問題。為解決上述問題，具有反向系間竄越(RISC)特點的熱活化延遲熒光(TADF)材料成為繼熒光材料和磷光材料之后的新一代有機發光材料[1-8]。熒光材料通過單重態激發發光，磷光材料通過系間穿越—單重態轉化為三重態躍遷發光，然而新一代的TADF材料因具有比較小的單-三重態能極差ΔEST，較小的能極差可以使TADF材料在室溫熱能活化下發生反向系間竄越(RISC)現象，實現激子從三重態到單重態能級反向躍遷，達到更高的量子效率。同時，TADF材料具有價格低廉、量子效率高等優點，這些獨有的特性使得TADF材料成為發光材料的新選擇。

相對于紅光和綠光OLED而言，藍光OLED的性能偏低，這是制約OLED發展的瓶頸問題。根據文獻報道，利用藍光TADF材料的自發射(self-emitting)和共發射(co-emitting)特性，可有效提高藍光OLED的量子效率和發光效率[4]。2011年，Adachi團隊首次采用1,3,5-三嗪基藍光 TADF材料與mCP摻雜，在摻雜6wt%的藍光器件中觀察到最高為5.3%的外量子效率(EQE)[9]。2015年，Kippelen課題組在雙極性主體材料mCPSOB中摻雜4CzIPN，當摻雜5wt%時，藍光OLED的最高EQE值達到26.5%[10]。這些結果都表明主客體摻雜可以有效提升藍光OLED 的器件性能。在此結構中，摻雜劑中激子的輻射躍遷導致發光，主要是由兩種不同的機制產生的：第一種是電荷傳輸到主體中形成激子，并將能量轉移到客體中；第二種是電子和空穴從兩端電極直接注入客體中并被捕獲，自發形成激子，輻射出能量。在這兩種機制中，摻雜濃度的選擇非常關鍵[11]。低比例下，主客體材料之間無法形成有效的能量轉移，導致發光效率偏低；高比例可以促進能量轉移和激子產生，但是也會造成激子的淬滅。

在本文工作中，選擇主體材料為DPEPO[1]，客體材料為DMAC-DPS[12]，構成主客體摻雜的發光層[11,13]。DMAC-DPS是一種高效率的藍光TADF材料，DPEPO是一種寬帶隙TADF材料，可以較好地限制激子，促進電子和空穴的復合，進而獲得較高的量子效率。筆者基于此發光層制備了藍光OLED器件，并研究了器件結構、主客體比例等因素對器件性能的影響。

1 實驗準備

本文工作采用的器件結構是MoO3(1 nm)/TAPC(40 nm)/mCP(10 nm)/[DPEPO:DMAC-DPS (30%)](30 nm)/PPF(10 nm)/TPBi(40 nm)/LiF/Al，如圖1a所示。實驗過程中所采用的有機材料均從寶萊特公司(Polymer Light Technology corp)購買。實驗器件以電阻為15 Ω/m2的ITO玻璃為基底。ITO玻璃首先進行清洗處理，用超聲波清洗機將玻璃依次在丙酮、乙醇和去離子水清洗5 min，然后用純氮氣吹干ITO玻璃表面，再放置于通有純氧氣的等離子體清洗機中處理5 min，這一過程可以有效地提高ITO的功函數。最后，把預處理后的ITO玻璃置于真空度為1×10-7Torr的熱蒸發系統中，依次沉積空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層等有機薄膜，最后沉積0.8 nm LiF和100 nm的Al陰極。隔絕水分和氧氣的影響，器件在純氮氣環境下進行封裝，有效發光面積為0.1 cm2，隨后在室溫下進行測試。圖1b是器件的能級結構圖，電子傳輸層(ETL)為PPF和TPBi，兩種材料的LUMO能級均為2.7 eV，電子注入勢壘約為0.2 eV，較小的勢壘可以實現高效的電子注入和傳輸?？昭▊鬏攲?HTL)為TAPC和mCP，mCP和DMAC-DPS的HOMO能級相近，有利于空穴傳輸，MoO3也作為空穴注入層，其較低的HOMO能級有望提升空穴注入能力[14]。DPEPO的帶隙為4.8 eV，屬于寬帶隙材料，有利于提高電子與空穴在發光層中的復合率。使用美國吉時利(Keithley)2400源表、2000多功能表和硅探測器測試了器件的電流密度-電壓-亮度特性，用海洋光學光纖光譜儀USB-4000測試OLED的電致發光光譜(EL)。

(a)器件結構

2 結果與討論

圖2a是含有不同厚度MoO3的OLED器件的電流密度-電壓(J-V)曲線，采用的器件結構是MoO3(0, 0.5 nm, 1 nm, 2 nm)/TAPC(40 nm)/mCP(10 nm)/[DPEPO:DMAC-DPS(30%)](30 nm)/PPF(10 nm)/TPBi(30 nm)/LiF/Al。從圖中可以看出，無MoO3器件的開啟電壓為4.1 V，當MoO3厚度為0.5 nm，1 nm，2 nm時，器件開啟電壓分別為2.9 V，2.97 V，3.1 V。當驅動電壓為6 V時，MoO3厚度為0.5 nm，1 nm，2 nm器件的電流密度分別為32.4 mA/cm2，25.4 mA/cm2，19.1 mA/cm2，而無MoO3層的器件僅為4.8 mA/cm2。實驗結果表明，相對于沒有MoO3的器件而言，更大的電流密度存在于含有MoO3薄膜層的器件中，表明器件具有更強的空穴傳輸能力。同時，0.5 nm厚度MoO3器件的開啟電壓最低，電流密度最大。這些結果是由兩方面的因素決定的：首先，MoO3的HOMO能級低于mCP和DPEPO的HOMO能級，可以有效降低空穴注入勢壘，從而提高器件性能；其次，器件的串聯內阻隨著MoO3層厚度增大而增大，內阻增大會降低器件傳輸性能。圖2b是含有不同厚度MoO3的OLED器件的亮度和外量子效率(EQE)曲線。從圖中可以看出，不同厚度的MoO3對器件亮度和EQE的影響并不大，MoO3厚度為1 nm的器件表現出最高的亮度和EQE，分別是4840 cd/m2和5.92 %。在后續其他優化過程中，選擇1 nm作為MoO3薄膜的最優沉積厚度。

(a)電流密度-電壓(J-V)

在上述基礎之上，研究了不同厚度的發光層(EML)、電子傳輸層(ETL)對器件性能的影響，如圖3所示。采用的器件結構是MoO3(1 nm)/TAPC(40 nm)/mCP(10 nm)/[DPEPO: DMAC-DPS (30%)](30 nm, 20 nm)/PPF(10 nm)/TPBi(30 nm, 40 nm)/LiF/Al。在OLED器件中，空穴材料的空穴遷移率通常比電子材料的電子遷移率高，增加空穴傳輸層TPBi的厚度，預期可以促進空穴和電子數量的平衡，進而提升器件性能。從圖3中可以看出，固定EML的厚度為30 nm，將TPBi的厚度從30 nm增加至40 nm之后，電流密度增大，器件表現出更好的傳輸性能，同時器件的亮度和EQE均有所增大。此外，減少EML層的厚度，預期可以增強激子的空間束縛，提升器件的發光效率。從圖3中可以看出，固定TPBi的厚度為40 nm，將EML的厚度從30 nm減小至20 nm之后，電流密度增大，器件表現出更好的傳輸性能，然而亮度和EQE均有所降低，可能是因為發光層太薄導致空穴和電子的復合空間較小，在EML中的復合幾率降低。因此，本文優選EML厚度為30 nm，TPBi厚度為40 nm，此時器件的最大亮度5650 cd/m2，最大EQE達到8.63%。

(a)電流密度-電壓(J-V)

對包含主客體摻雜結構的OLED而言，對器件性能影響最大的因素是主體與客體材料的摻雜比例。在本文中，主體材料為DPEPO，客體材料為DMAC-DPS，研究摻雜比例所采用的器件結構是MoO3(1 nm)/TAPC(40 nm)/mCP(10 nm)/[DPEPO:DMAC-DPS(10%, 30%, 50%, 100%)](30 nm)/PPF(10 nm)/TPBi(40 nm)/LiF/Al。不同器件的測試曲線如圖4所示。當摻雜10%時，器件最高亮度和量子效率分別為4081 cd/m2和6.27%。當摻雜增大至30%時，器件最高亮度達到5650 cd/m2，最高EQE為8.63%。然而，隨著摻雜進一步增大，載流子傳輸特性和器件性能逐漸變差。如圖1所示，mCP和DPEPO之間的勢壘較大，為0.7 eV，在一定程度上會阻礙空穴從mCP注入DPEPO。在DPEPO中摻入DMAC-DPS之后，由于DMAC-DPS的HOMO能級與mCP接近，會誘導mCP向DMAC-DPS注入空穴。 因此，DMAC-DPS摻雜可以促進空穴注入和傳輸，從而獲得更高的電流密度和發光效率。然而，隨著DMAC-DPS摻雜濃度的增大，可能在EML中產生一些缺陷態，從而導致熒光淬滅。采用DMAC-DPS單獨作為發光層制備了OLED器件，器件最高亮度為3910 cd/m2，最高EQE為4.2%，也說明過量的DMAC-DPS會導致器件性能的衰退。

(a)電流密度-電壓(J-V)

圖5為DPEPO與DMAC-DPS的能量傳遞示意圖，DMAC-DPS的單重態能量約為2.9 eV，ΔEST=0.1 eV，DMAC-DPS既可以通過自身的RISC效應發光，讓三重態激子逆轉變為單重態激子，單重態激子再通過輻射發光，也可以通過F?rster能量傳遞原理，從DPEPO的激子中獲得能量[15]，這樣主客體材料共同參與發光，促使DMAC-DPS的發光效率提升。高比例摻雜可以促進能量轉移和激子產生，進而獲得更高的發光效率，但同時也會造成激子的淬滅，因此合適的摻雜比例對器件性能的提升是極為重要的。

圖 5 能量傳遞示意圖

圖6是30%摻雜的器件在不同電流密度(1-5 mA)下的電致發光(EL)光譜，EL峰的輪廓在歸一化EL光譜圖中并不會隨電流而發生變化，表明器件發光性能是比較穩定的，藍光波峰穩定在490 nm左右，為天藍色的光，如圖6插圖所示。

圖 6 不同電流密度(1-5 mA)下30%摻雜濃度的器件的EL光譜

3 結論

在本文實驗中，將DPEPO、DMAC-DPS兩種TADF材料分別作為主體、客體材料一起構建器件發光層，制備了藍光OLED器件并研究了其發光性能。實驗結果表明，采用MoO3薄膜作為空穴注入層有助于增強空穴注入和傳輸能力，進而提升器件性能，恰當的有機層厚度選擇可以優化器件性能，客體摻雜比例對器件性能的影響較大。當DMAC-DPS摻雜為30%時，器件最大亮度為5650 cd/m2，最大量子效率(EQE)為8.63%。摻雜比例進一步增大會導致器件性能的衰退，可能是因為高比例導致的激子淬滅導致的。從這些結果可以看出，基于TADF材料的藍光OLED可以獲得較高的發光效率，為藍光OLED的性能提升和發展提供依據。